生产过氧化氢的设备和方法与流程

本发明涉及一种用于生产过氧化氢的设备和方法。本发明还涉及使用该设备产生羟基自由基的系统，以及生产该设备的方法。更确切地说，本发明涉及一种改进的设备和方法，该设备和方法采用氧还原来生产过氧化氢。

背景技术：

1、过氧化氢(h2o2)是一种多用途化学物质，在纸浆和造纸、水处理和农业等行业中用作氧化剂。利用现成的化合物现场生产过氧化氢对这些行业极具吸引力，因为这样可以实现供应独立，而且更具可持续性。电解池具有独特的优势，其可以利用电力作为输入能源，在分散的设施中生产化学品，而不需要大型化学品生产厂。其优势包括：在需要的地点和时间生产化学品，从而消除了运输和储存的需要，并有利于使用可持续方式生产的能源，如风能和太阳能。

2、电化学法生产过氧化氢与传统的蒽醌法相比具有很大的优势，后者是在集中的化学设施中生产过氧化氢。蒽醌法涉及大量能源、二氧化碳排放和化学废物。天然气是当今蒽醌工厂的主要氢气来源。由于生产是集中进行的，因此需要将过氧化氢运输到使用地点。出于经济原因，过氧化氢的运输浓度通常为30％至70％，这是有危险的，会带来安全问题。一旦运达使用地点，通常需要将其稀释到小于3％的浓度。

3、这些问题可通过在现场生产化学品直接解决。电化学生产可以利用大气中的水和氧气来形成h2o2，并且只需要电力作为能源输入，这意味着当使用co2中和电力时，这可以是一个无co2排放的过程。此外，在许多应用中，需要低浓度(低于3wt％)，这意味着如果从一开始就生产低浓度的溶液，就可以完全避免安全问题。

4、过氧化氢的电化学生产通常依赖于选择性氧还原。传统上，根据所使用的离子导体形式，电化学生产过氧化氢有两种主要途径。

5、第一种方法是使用液态离子导体，通常为碱性或中性盐溶液的形式，例如，“使用燃料电池系统直接连续地生产选择性93％的过氧化氢(direct and continuousproduction of hydrogen peroxide with 93％selectivity using afuel-cellsystem)”，angewandte chemie 2003中所述的。这种方法生产过氧化氢的效率高、浓度大，但纯度低，因为很难将盐与生成的过氧化氢分离。

6、第二种方法是使用固态离子导体，如聚合物阳离子交换膜，可以达到较高的纯度，但可实现的浓度和效率通常较低，如“通过电解水和o2的h2o2中和合成(neutral h2o2synthesis by electrolysis of water and o2)”，angewandte chemie2008中所述的。

7、膜电极组件领域中已知的技术难以实现足够高的通量，这直接影响所需电极的尺寸，进而影响成本。其主要原因是难以同时实现电化学过氧化氢生产所需的三个条件：在阴极电极上均匀地输送氧气，从阴极电极均匀地收集电流，同时从阴极催化剂层有效地提取过氧化氢。本领域的方法主要在以下环境中操作：

8、气相氧--这种环境适合向电极输送氧气，从而产生高电流密度，但难以从电极提取过氧化氢，从而导致法拉第效率低下。这意味着总体通量较低。

9、水中溶氧--水有助于提取过氧化氢，从而产生较高的法拉第效率，但另一方面，氧气在水中的低溶解度意味着电流密度较低。过氧化氢的总通量较低。

10、为了克服低通量的问题，文献中的方法集中于设计在气液的混合相中操作的电化学电池，如美国专利申请第2014/0131217al号和美国专利第5,972,196号、美国专利第5,770,033号、美国专利第2009/114532al号和欧洲专利第3,430,182号中公开的电化学电池。

11、这些方法包括通过鼓泡器或流化介质在阴极的选定位置施加气体，同时将其余部分甚至整个阴极浸入水中。通常，在这些设计中，在这些设计中，有一些电极区域专门用于收集电流，另一些区域专门用于输送气体，还有另一些区域专门用于提取过氧化氢。因此，尽管这种混合相操作带来了一些改进，如更高的法拉第效率和通量，但在有效和均匀的电流收集、气体施加、产品流动方面仍然存在挑战，并且不能有效地利用阴极的全部面积，导致性能未达最佳标准并加剧降解。值得注意的是，在现有技术中，不希望在气体扩散层中存在水，因为在文献设计中，水会使气体扩散层饱和，这将导致难以向阴极催化剂输送氧气，并降低过氧化氢的生产率。因此，仍然需要进一步改进，以解决过氧化氢生产的这些和其他挑战。

技术实现思路

1、本发明通过提供一种用于生产过氧化氢的改进的设备、一种用于形成羟基自由基的改进的系统、一种使用本发明的设备生产过氧化氢的方法和一种生产本发明的设备的方法，以解决了上述讨论的过氧化氢生产所面临的挑战。在所附权利要求中详细描述了本发明的至少这些和其他方面。

2、更准确地说，正如下文将更详细地描述的那样，本文提出了一种用于电化学电池设计的新方法，该方法适用于由电化学氧还原反应合成过氧化氢。此外，还描述了一种多孔导电层的用途，该多孔导电层同时向产生过氧化氢的电化学电池的阴极提供均匀的氧气流和电导率。水被设置为流过阴极气体扩散层，这有助于从电极去除过氧化氢。

3、如上所述，第二种方法是使用固态离子导体，如聚合物阳离子交换膜，可以得到更高的纯度。在本文中将进一步说明，本发明提出将聚合物阳离子交换膜与阴极和阳极电极组合使用，阴极和阳极电极与膜紧密接触，形成一个单一的机械实体，即所谓的膜电极组件，从而使产生的过氧化氢纯度更高，同时可实现的浓度和转化效率比本领域已知的更高。

4、本发明提出的用于生产过氧化氢的电化学电池的设计改进了电流收集和气体输送，同时通过水或强制水流的存在促进了从阴极提取过氧化氢。这就优化了可用电极面积的利用率，从而获得了更高的通量、更高的法拉第效率和更长的电极寿命。其他优点还包括高频电阻(hfr)低，以及整个电极区域的电流收集分布非常均匀。

5、根据本发明第一方面的设备包括至少一个且优选多个相邻的电化学电池，每个电化学电池包括电极组件，该电极组件包括至少一层阴极气体扩散层、至少一个阴极催化剂层、至少一个离子交换膜、至少一个阳极催化剂层，以及至少一个阳极集电器，至少一个阴极催化剂层、至少一个离子交换膜和至少一个阳极催化剂层在电极组件内彼此相邻地设置，沿着膜电极组件的水平轴依次设置，该设备还包括与阴极气体扩散层相邻设置的至少一个气体传输层，该气体传输层能够促进含氧气体流向阴极空气扩散层并且能够收集电流，阴极气体扩散层包括水。

6、根据另一个方面的系统包括根据本文所讨论的本发明的任何方面的设备，以及一种装置，其促进了由所述设备产生的过氧化氢与紫外线或臭氧组合，以促进羟基自由基的形成。

7、根据本发明的另一个方面，使用本发明的设备产生过氧化氢的方法和生产本发明设备的方法也在本文中详细讨论。

8、本发明的其他方面体现在从属权利要求中。

9、综上所述，本发明提出至少包括一个导电多孔气体传输层，该层可同时从阴极收集电流，并均匀地向阴极输送氧气，与此同时，阴极气体扩散层中存在水。这种配置最大限度地增加了用于生成过氧化氢的电极表面，并有利于提取生成的过氧化氢，与本领域已知的配置相比，性能得到了改善。

10、这样的设备只需使用容易获得的物质如氧气(来自空气)和水，就能在使用地点生成过氧化氢。与购买散装过氧化氢相比，其具有许多优势，包括供应安全、二氧化碳中和和安全。